Порошковая металлургия — метод производства металлических изделий без плавления. Для этого металл превращают в порошкообразную массу, которая объединяется в единое целое при отжиге в восстановительной либо инертной среде. Процесс представляет собой экономичный способ изготовления небольших элементов сложных и прямых геометрических форм, в результате чего получаются детали с однородной микроструктурой, свободной от дефектов и неметаллических включений. Изделия, произведенные из порошковых металлов, отличаются износоустойчивостью, твердостью и прекрасными механическими свойствами, благодаря чему широко применяются в самых разных отраслях промышленности. Особой популярностью среди данного класса металлов пользуется порошковая сталь, которую используют для изготовления ножей и клинков, относящихся к среднему и высокому классу.
Порошковые стали
Материал формируется путем смешивания различных порошкообразных металлов, необходимых для получения стали с нужными характеристиками, для дальнейшего прессования их в форму, и последующего нагревания для спекания. Такой подход позволяет получить почти идеальное сочетание различных элементов, чтобы конечный результат был настолько хорош, насколько позволяют современные технологии.
Существует несколько способов измельчения сталей, от которых зависит как «форма», так свойства порошка:
- Физико-механический: исходное стальное сырье преобразуют в порошок без нарушения его химического состава. Происходит это посредством измельчения стали, находящейся в твердом или жидком состоянии. Металлы, находящиеся в твердом состоянии, подвергают процессу дробления и размола. Жидкие массы проходят процесс распыления и грануляции.
- Химико-металлургический: способ, который, в свою очередь, также может реализовываться несколькими путями:
- Химическое восстановление – наиболее экономичный метод, благодаря которому около 50% порошка стали получают путем восстановления руды. Восстановительный процесс проводится с использованием химических восстановителей, воздействующих на оксиды и соли, что дает возможность отделить неметаллические фракции.
- Термокарбонильная диссоциация – порошковые металлы получают благодаря разложению карбонильных металлических соединений под воздействием заданной температуры. Разложение производится на: чистый металл и монооксид углерода в газообразном состоянии, который выводится из рабочей камеры.
- Электролиз – изготовление порошковой фракции путем осаждения частиц чистого металла на катоде. При соблюдении надлежащих условий электролиз может создавать очень чистые и плотные металлические порошки. Электролиз дорог по сравнению с другими методами, поэтому находит применение в первую очередь на ценных металлах, особенно на меди, где необходима высокая проводимость.
Сам же процесс изготовления деталей из порошковых сталей включает в себя несколько последовательных операций:
- Приготовление шихты – смешивание до однородной субстанции выбранных для повышения характеристик стали элементов (металлопорошков с различным гранулометрическим и химическим составом). Производится механическим способом с применением специальных миксеров. От тщательности вымешивания ингредиентов зависит однородность шихты, следовательно, качество изделия.
- Формование – технологическая стадия, предшествующая процессу запекания. Заключается в прессовании стального порошка в подходящую матрицу, аналогичную по форме конечному продукту. Прессование, как метод формования, может быть холодным или горячим – выбор зависит от таких факторов, как форма и свойства порошка (пластичность, уплотняемость, формуемость).
- Спекание – термическая обработка заготовок. Суть спекания заключается в соединении отдельных зерен порошкообразной стали под воздействием высокой температуры в единое целое. В процессе спекания заготовка очищается от адсорбированных в ней газов и нежелательных примесей, качественно преобразуется форма пор. Спекание может происходить с наличием твердой фазы – ниже температуры плавления (когда зерна слипаются за счет адгезии, а затем диффузии) и с появлением жидкой фазы (где жидкая фаза может присутствовать, даже если температура ниже чем температура плавления основного компонента, обычно это плавление легкоплавких эвтектик).
Легирующие элементы
Широкое распространение порошковая сталь нашла в изготовлении ножей. В состав стального сплава, для улучшения его эксплуатационных характеристик, дополнительно может входить несколько видов легирующих элементов. Вот некоторые из них:
- Хром. Обычно в состав стали входит около 13% хрома. Его наличие в стальной «пудре» способствует упрочнению сплава, повышению его антикоррозийных характеристик. При этом, данный элемент понижает прочность металла, поэтому ножи, изготовленные из «хромированной» стали, нежелательно подвергать частым заточкам.
- Никель. Материал, повышающий твердость стальных изделий, а также придающий им устойчивости к воздействию внешних факторов.
- Молибден. Ножи, изготовленные из порошкового стального сплава с добавлением 8% молибдена, устойчивы к нагрузкам и нагреванию, имеют длительный срок эксплуатации.
- Кремний. Добавление в состав стали кремния делает сплав более крепким, надежным, повышает его качественные характеристики.
- Марганец. Присутствие марганца в сплаве делает металлические изделия более прочными и износоустойчивым.
- Ванадий. У ножей, изготовленных из сталей с добавлением ванадия, значительно улучшаются показатели твердости, устойчивости к внешним факторам.
- Вольфрам. Аналогично ванадию усиливает показатель твердости изделий из сталей, при этом снижает их прочность.
Технология спекания с добавлением различных легирующих элементов позволяет получать высокопрочные ножи, которые не боятся коррозии и практически не затупляются с течением времени. Интересно то, что кромка лезвия ножей, изготовленных из порошковых сталей, гораздо острее, чем у ножей из стальных сплавов, поэтому их часто используют охотники и военные.
Популярные сплавы
Порошковые сплавы производятся по всему миру, отличаясь неприхотливостью в уходе, устойчивостью к коррозии и прекрасным качеством. Вот несколько самых популярных видов стальных порошков:
- CPM 154 – аналог сплава 154CM (ATS З4), который отличается повышенной прочностью и вязкостью, а также лучшей шлифуемостью. Сталь данного класса используется при производстве ножевых клинков среднего ценового сегмента.
- СРМ S90V – сталь с содержанием первичных карбидов ванадия, что делает ее износостойкой, при этом немного ухудшает механику.
- CPM S125 – порошок, с еще большим содержанием ванадия, еще более высокой износоустойчивостью и невысокой механикой.
- СРМ S30V – «золотой стандарт» как авторских, так и серийных ножей, относящихся к среднему и высокому классу.
- СРМ S35VN – обновленная «версия» предыдущей S30V, при этом, имеет более лучшую механику, благодаря добавлению ниобия. Находится в одной нише с СРМ S30V.
- CPM S110V – данную стальную смесь можно назвать карбидным монстром с наличием большого количества твердых карбидов высокой твердости. В составе пудры также присутствует кобальт, повышающий вторичную твердость, большое количество ниобия. Ножи из CPM S110V отличаются хорошими механическими свойствами и высокой твердостью, при этом, неагрессивным резом, который можно назвать хорошим для «обычных» ножей, но не для клинков премиум класса. Данную проблему можно частично решить тонкой геометрией и особой заточкой.
Плюсы и минусы ножей из порошковой стали
Если говорить о преимуществах ножей из порошковой стали, то они во многом зависят от микроструктуры исходного материала и точно подобранного химического состава. В целом же, большинство клинков ножей имеют следующие характеристики:
- Высокая твердость, благодаря использованию большого количества соответствующим образом подобранных и контролируемых компонентов сплава (например, увеличение количества трудноплавкого ванадия, других карбидов), с точным исключением вредных включений.
- Коррозионная устойчивость при сохранении высокой твердости, обусловленной высоким содержанием хрома и карбидообразующих элементов.
- Превосходная износостойкость, длительный срок эксплуатации.
- Исключительная легкость заточки.
Что касается недостатков, то основным минусом порошковых сталей является их цена, обусловленная сложными процессами производства и обработки, которым они подвергаются. Однако стоит подчеркнуть, что они того стоят, и при правильном уходе, ножи из данного материала будут служить своему владельцу верой и правдой долгие годы.
На сегодняшний день практически 90% ножей различных брендов производятся из порошковой стали. Помимо этого, из данного материала изготавливают шестерни, ролики, трещотки, элементы амортизаторов, седла клапанов, элементы электроинструмента и многое другое. К таким изделиям предъявляются повышенные требования по свойствам материала, в том числе: стойкость к сложному износу, хорошая обрабатываемость, шлифуемость, высокая твердость и ударная вязкость, устойчивость к воздействию температур, стабильность режущей кромки, хорошая пластичность.